DE1298598B - Vakuumschalter - Google Patents

Description

aufweisenden Kontaktfinger jedes Kontaktstückes ge- ίο sehen benachbarten Kontaktfingern gleich groß ist gen die des anderen Kontaktstückes in Umfangsrich- und kleiner oder höchstens gleich dem Abstand zwischen den zur Führung des Dauerstromes bestimmten Kontaktflächen.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß diese par-

tung versetzt sind.

Bei der Unterbrechung niedriger Ströme hat der Schalter im allgemeinen keine Schwierigkeit, die

Lichtbogenprodukte schnell und vollständig genug zu 15 allel geschalteten Lichtbögen mit einer relativ niedrikondensieren, um der wiederkehrenden Spannung gen Lichtbogenspannung brennen, selbst wenn der standzuhalten. Je höher jedoch der geschaltete Strom Momentanstrom durch den Schalter hoch ist, z. B. ist, um so größer ist im allgemeinen auch die Menge 35 kA oder auch mehr beträgt,
der erzeugten Bogenprodukte und um so schwieriger Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbei-

wird es, in der zur Verfügung stehenden Zeit eine 20 spielen in Verbindung mit der Zeichnung näher bevollständige Kondensation der Lichtbogenprodukte schrieben, es zeigt
zu erreichen.

Einer der Faktoren, der die Fähigkeit des Schalters, beim Stromnulldurchgang einer Periode hohen Stroms die Lichtbogenprodukte vollkommen zu kondensieren, vermindert, ist die hohe Lichtbogenspannung, die bekannte Schaltertypen beim Abschalten hoher Ströme entwickeln. Der Ausdruck »Lichtbogenspannung« bezeichnet die Spannung, die am Lichtbogen zu irgendeinem Augenblick auftritt. Es hat sich gezeigt, daß für Ströme bis zu einigen tausend Ampere die Lichtbogenspannung verhältnismäßig niedrig und im wesentlichen vom Gesamt-Lichtbogenstrom unabhängig ist. Jedoch erwies sich bei höheren Strömen als einige tausend Ampere, daß die Lichtbogenspannung mit dem Lichtbogenstrom wächst und 150 Volt oder mehr erreichen kann.

Je höher diese Lichtbogenspannung ist, um so höher ist auch die im Schalter auftretende Energie (Schaltarbeit). Diese höhere Energie hat eine größere 40 Fig. 6,

Menge von Dämpfen zur Folge, die vom Lichtbogen Fig. 8 einen Querschnitt einer weiteren abgewan-

erzeugt werden, und eine stärkere Aufheizung der dampfkondensierenden Teile in der Nachbarschaft der Lichtbogenstrecke. Diese beiden letzteren Faktoren vermindern die Fähigkeit des Schalters, eine im wesentlichen vollständige Kondensation des bogenerzeugten Dampfes bei einem Stromnulldurchgang zu bewirken, und vermindern somit die Schaltfähigkeit des Schalters.

Bei einem bekannten Vakuumschalter sind Hilfskontaktpaare symmetrisch in Form eines Ringes um ein Hauptkontaktpaar herum angeordnet (deutsche Patentschrift 1074119). Die stiftförmigen Hilfselektroden berühren sich im eingeschalteten Zustand mit

ihren halbkugelförmigen Enden. Während des Aus- 55 male Druck im Kolben 10 niedriger als 10~⁴ Torr, so schaltvorganges entstehen zuerst zwischen Hilfskon- daß eine vernünftige Sicherheit dafür besteht, daß die taktpaaren Lichtbögen und anschließend ein Bogen
zwischen den Hauptkontakten, wobei die zuerst entstandenen Bögen das Bilden weiterer Bögen an den
übrigen Kontaktpaaren begünstigen. Durch die Aus- 60
bildung mehrerer paralleler Lichtbögen wird zwar

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Vakuumschalters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 einen Querschnitt in einer Ebene 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 eine vergrößerte perspektivische Ansicht der Kontaktstücke des in den F i g. 1 und 2 dargestellten Vakuumschalters,

F i g. 4 einen Querschnitt entsprechend F i g. 2 mit der Darstellung bestimmter magnetischer Feldbeziehungen,

Fig.5 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines bekannten Schalters,

F i g. 5 a einen Querschnitt in einer Ebene 5 a-5 a in Fig. 5,

Fig. 6 eine Seitenansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung, F i g. 7 einen Querschnitt in einer Ebene 7-7 in

delten Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 9 eine Axialschnittansicht der wesentlichen Teile einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 10 einen Querschnitt durch die Kontaktstückanordnung der Ausführungsform gemäß F i g. 9 in einer Ebene 10-10.

Der in Fig. 1 dargestellte Schalter enthält einen weitestgehend evakuierten Kolben 10 mit einem Mittelteil 11 aus isolierendem Werkstoff und zwei dessen Enden abschließende Metallkappen (Endkappen) 12, 13. Um den Kolben vakuumdicht abzuschließen, sind der Mittelteil und die Endkappen bei 14 geeignet verbunden. Unter statischen Bedingungen ist der nor-

eine Verringerung des Kontaktverschleißes erzielt, doch brennen die Bögen im wesentlichen parallel zur Schalterlängsachse mit üblicher Lichtbogenspannung, und die dabei auftretende Schaltarbeit ist entsprechend hoch.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Vakuumschalter der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem

65 mittlere freie Weglänge der Elektronen länger ist als die maximale Durchschlagstrecke im Kolben.

Innerhalb des Kolbens 10 sind zwei relativ zueinander bewegliche Kontaktstücke oder Elektroden 17, 18 angeordnet, die in F i g. 1 in der getrennten oder offenen Stellung gezeigt sind. Das obere, feste Kontaktstück 17 ist an einem leitenden Stab 17 α befestigt, dessen oberes Ende mit der oberen Endkappe 12 verbunden ist. Das untere Kontaktstück 18 ist beweglich und an einem leitenden Betätigungsstab 18« befestigt, der in Vertikalrichtung verschiebbar ist. Der Betätigungsstab 18 a reicht durch eine Öffnung in der unte-

ren Endkappe 13, und ein flexibler Metallbalg 20 dichtet den Stab 18 a bezüglich der Endkappe 13 ab und erlaubt ein vertikales Verschieben des Stabes, ohne daß das Vakuum im Kolben 10 dadurch beeinträchtigt wird. Wie F i g. 1 zeigt, ist der Balg 20 an seinen Enden vakuumdicht mit dem Betätigungsstab 18 a bzw. der Endkappe 13 verbunden.

Mit dem unteren Ende des Betätigungsstabes 18 a wird eine geeignete, nicht dargestellte Betätigungsanordnung gekuppelt, die das bewegliche untere Kon- taktstück 18 aufwärts in Berührung mit dem feststehenden Kontaktstück 17 zu bewegen gestattet, um den Schalter zu schließen. Die Betätigungsvorrichtung gestattet weiterhin, das untere Kontaktstück 18 in die gezeichnete Stellung zurückzubringen und so den Schalter zu öffnen. Auf die Vorgänge beim öffnen des Schalters wird noch näher eingegangen.

Wenn die Kontaktstücke 17 und 18 während des öffnens des Schalters getrennt werden, entsteht zwischen ihnen ein Lichtbogen. Der Lichtbogen ver- ao dampft etwas Kontaktstückmaterial, und die resultierenden Dämpfe breiten sich aus dem Bereich zwischen den Kontaktstücken zum Kolben 10 hin. Im dargegestellten Schalter sind die inneren Isolierstoffoberfiächen des Mittelteils 11 in an sich bekannter Weise as mittels eines rohrförmigen Metallschirms 15, der am Mittelteil 11 befestigt und vorzugsweise von beiden Endkappen 12 und 13 elektrisch getrennt ist, vor der Kondensation von vom Lichtbogen erzeugten Metallpartikeln geschützt. Dieser Schirm 15 fängt die vom Lichtbogen erzeugten Metalldämpfe ab und kondensiert sie, bevor sie den Mittelteil 11 erreichen können. Um die Möglichkeit des Dampfes, den Schirm 15 zu umgehen, zu vermindern, werden an den entgegengesetzten Enden des mittleren Schirms zwei Endschirme 16 und 16 a in an sich bekannter Weise vorgesehen.

Alle Innenflächen des Schalters sind im wesentlichen frei von Verunreinigungen. Obendrein sind die Kontaktstücke 17 und 18 praktisch frei von im Elektrodenkörper absorbierten Gasen, so daß die Entwicklung solcher Gase während der Unterbrechung hoher Ströme verhindert wird. Die Kontaktstücke bestehen aus einem nicht warmfesten Leitermaterial, vorzugsweise Kupfer.

Das obere Kontaktstück 17 umfaßt einen im wesentlichen ringförmigen Hauptteil 25 und eine Mehrzahl von Vorsprüngen 26, die vom Hauptteil 25 im wesentlichen parallel zu der Längsachse 28 (F i g. 3) des Kontaktstückes vorstehen. Die Vorsprünge 26 sind im Abstand voneinander längs des Umfanges eines gedachten Kreises 29 angeordnet, der die Längsachse 28 konzentrisch umgibt, wie F i g. 2 zeigt.

Das untere Kontaktstück 18 hat im wesentlichen dieselbe Konstruktion wie das obere Kontaktstück 17 und umfaßt demnach einen im wesentlichen ringförmigen Hauptteil 25 α und eine Mehrzahl von Vorsprüngen 26 a, die vom Hauptteil etwa parallel zur Längsachse 28 a des unteren Kontaktstückes vorstehen. Die Vorsprünge 26 α sind ebenfalls längs des Umfanges eines Kreises angeordnet, der die Längsachse 28 α des unteren Kontaktstücks 18 konzentrisch umgibt.

Die beiden Kontaktstücke sind so zueinander angeordnet, daß die Vorsprünge 26 α des unteren Kontaktstückes jeweils zwischen den Vorsprüngen 26 des oberen Kontaktstückes liegen und derart in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt, daß eine Mehrzahl von Überschlag- oder Entladungsstrecken 30 zwischen den Vorsprüngen der beiden Kontaktstücke gebildet werden. Die beiden Kontaktstücke werden so angeordnet, daß ihre Längsachsen 28 und 28 a zusammenfallen.

Wenn der Schalter unter Last geöffnet wird, entstehen in den Strecken 30 Lichtbogen 32, 33, 34 und 35. Es sei angenommen, daß zu dem in F i g. 2 dargestellten Zeitpunkt das obere Kontaktstück 17 mit seinen beiden Vorsprüngen 26 als Anode und das untere Kontaktstück 18 mit seinen beiden Vorsprüngen 26 α als Kathode arbeitet. Die Vorsprünge 26 sind deshalb mit einem Pluszeichen (+) und die Vorsprünge 26 α mit einem Minuszeichen (—) bezeichnet. Von der Anode 17 zur Kathode 18 kann der Strom über einen Vorsprung 26 und einen der Bögen 32 oder 33 fließen oder über den anderen Vorsprung 26 und einen der Bögen 34 oder 35. Hieraus ist ersichtlich, daß die Bögen 32, 33, 34 und 35 elektrisch parallel geschaltet sind bzw. die Strecken 30 elektrisch parallel liegen.

Aus F i g. 2 ist auch ersichtlich, daß die Längsrichtung der Strecken 30, wenn man diese mit der Längsrichtung der entsprechenden Lichtbogen gleichsetzt, im wesentlichen parallel zum Umfang des Kreises 29 und quer zur Längsachse 28 des Kontaktstückes 17 verläuft.

Wenn zum Schließen des Schalters das untere Kontaktstück 18 aus seiner Stellung in F i g. 1 nach oben bewegt wird, berühren die obersten Flächen der Vorsprünge 26a die Unterseite 43 des Hauptteils des oberen Kontaktstückes 17. Der tatsächliche Kontakt zwischen den beiden Kontaktstücken wird vorzugsweise an der obersten Oberfläche der Vorsprünge 26 α in den Gegenden 42 an ihrem radial innersten Rand bewerkstelligt, so daß der Strom zwischen den beiden Kontaktstücken durch diesen Oberflächenbereich 42 fließt, wenn der Schalter geschlossen ist. Die Kontaktflächen 42 auf jedem Kontaktstück bestehen vorzugsweise aus einem geeigneten nicht warmfesten verschweißsicheren Metall, z. B. in bekannter Weise aus einer Legierung von Kupfer und einigen Prozent Wismut; der Rest eines jeden Kontaktstückes besteht vorteilhafterweise aus reinem Kupfer.

Wenn das untere Kontaktstück 18 zur Unterbrechung eines Stromkreises in der Richtung von der geschlossenen Stellung nach unten bewegt wird, bildet sich ein Lichtbogen zwischen den Flächen 42 und 43 der beiden Kontaktstücke. Wenn es sich um einen Hochstrombogen handelt, verdampft eine erhebliche Menge des Kontaktstückmaterials, und die resultierenden Metalldämpfe breiten sich aus dem Bereich des Bogens nach allen Richtungen aus. Da die Strecken 30 mit dem Bereich, in dem der Bogen anfänglich entsteht, in freier Verbindung stehen, gelangt eine beachtliche Menge dieser Metalldämpfe in die Strecken 30. Vor diesem Zeitpunkt existieren keine Bögen in den Strecken 30, aber sobald die Dämpfe die Strecken 30 erreichen, bildet sich in mindestens einer dieser Strecken ein Bogen, wie er in F i g. 2 bei 32, 33, 34 oder 35 gezeichnet ist. Aus noch zu erläuternden Gründen wird, wenn der Strom 10 kA übersteigt, jeder Bogen in einer Strecke 30 mit einer viel niedrigeren Bogenspannung als der Anfangsbogen am Ende der Vorsprünge 26 brennen. Der durch den Anfangsbogen fließende Strom neigt also dazu, in einen oder mehrere Bögen in den Strecken 30 über-

zugehen, wodurch der Anfangsbogen zum Verlöschen gebracht wird oder nur den Teil des Gesamtstroms führt, der im niedrigen Bogenspannungsbereich der Bögen in den Strecken 30 geführt werden kann.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, stehen die Strecken 30 in freier Verbindung miteinander. Als Folge hiervon werden in eine Strecke 30, die noch keinen Bogen führt, Metalldämpfe aus dem Lichtbogen einer oder

Strecke 30 mit dem Bogen 32 (F i g. 4) betrachtet. Die Stromrichtung durch die Lichtbogen zum dargestellten Zeitpunkt ist jeweils durch einen kleinen Pfeil neben dem Bogen angedeutet. Bei Anwendung der 5 Rechte-Hand-Regel für die Bestimmung der Magnetfeldrichtung ergibt sich, daß das vom Strom im Bogen 33 erzeugte Magnetfeld in der den Bogen 32 enthaltenden Strecke nach unten (d. h. in die Papierebene hinein) gerichtet ist. Dies wird durch die Kreuze 33 M ange-

mehrerer anderer Strecken gelangen. Dies läßt in der io deutet. Das vom Strom durch den Bogen 34 erzeugte ursprünglich noch nicht gezündeten Strecke 30 einen Magnetfeld in der den Bogen 32 enthaltenden Strecke Lichtbogen entstehen, der dann ebenfalls Metall- ist dagegen nach oben gerichtet (d. h. aus der Papierdämpfe erzeugt, und so irgendeiner weiteren Strecke, ebene heraus), wie durch die Punkte 34 M angedeutet die immer noch keinen Bogen führt, zur Zündung ist. Da das Magnetfeld 34 M dem Magnetfeld 33 M verhelfen wird. Schließlich werden an allen Strecken 15 entgegengerichtet ist, schwächen sich diese Felder ge-Lichtbögen brennen, so daß sich der Gesamtstrom genseitig. Sie heben sich jedoch nicht vollkommen auf die parallelen Bögen 32, 33, 34 und 35 und even- auf, da die Feldstärke des Feldes 33 M im Vergleich tuell den als erstes gezogenen Bogen aufteilt. In be- zu der des Feldes 34 M etwas geringer ist, was seinen stimmten Fällen wird sich jeder der Bögen 32 bis 35 Grund darin hat, daß die betrachtete Strecke richin viele kleinere parallele Bögen aufteilen, und der 20 tungsmäßig zwar mit dem Bogen 34 übereinstimmt, Strom in der betreffenden Strecke wird sich dann auf hinsichtlich des Bogens 33 jedoch etwas versetzt ist.

Ein kleiner Bruchteil des Feldes 34 M wird daher nicht vom Feld 33 M kompensiert. Dieser kleine übrigbleibende Bruchteil, der aus der Papierebene stücke fließt, wenn zwischen ihnen ein Bogen brennt, 35 herausgerichtet ist, steht zur Verfügung, um einen ein Magnetfeld entstehen, dessen Hauptrichtung im Teil des Feldes 35 M aufzuheben, welches vom Strom wesentlichen senkrecht auf dem Bogen steht. Die Er- durch den Bogen 35 erzeugt wird und in die Papierfindung beruht auf dem Prinzip, daß die Bogenspan- ebene hineingerichtet ist.

nung eines im Vakuum brennenden Hochstrombogens Die Flußkompensation ist bei der in F i g. 4 darge-

wesentlich verkleinert werden kann, wenn die Korn- 30 stellten Anordnung nicht vollständig, aber sie ist erponente der magnetischen Feldstärke, die sich senk- heblich und hat eine beachtenswerte Verminderung recht zum Bogen erstreckt, ausreichend unter die
Werte vermindert wird, die normalerweise bei diesem
hohen Strom auftreten, wenn dieser durch eine übliche Kontaktstückanordnung fließt. Dieses Prinzip 35 kann gezeigt werden, daß sich die von den Strömen ist durch die besondere Anordnung der Strecken 30 durch die Bögen in den anderen Strecken 30 erzeug-

die kleineren Bögen verteilen.

Bei den bekannten Vakuumschalter-Kontaktstückanordnungen läßt der Strom, der durch die Kontakt-

des resultierenden senkrechten Feldes, das von den Strömen durch die anderen Bögen 33 bis 35 erzeugt wird, zur Folge. Mit Hilfe derselben Überlegungen

verwirklicht, bei der der durch die Kontaktstücke fließende Strom ein Magnetfeld erzeugt, dessen senkrecht zu den Bögen und Strecken verlaufende Komponente klein ist.

Einer der für die Begrenzung der senkrechten Komponente des Magnetfeldes auf sehr niedrige Werte veranwortlichen Faktoren besteht darin, daß das Magnetfeld, das von dem durch irgendwelche in

ten Magnetfelder in jeder beliebigen gegebenen Strecke 30 in erheblichem Umfange aufheben. Es tritt auch im wesentlichen dieselbe Magnetflußkompen-40 sation auf, wenn die Polarität der beiden Kontaktstücke umgekehrt wird. Offensichtlich ist also die Tatsache ein wichtiger Faktor für die Aufhebung der Flüsse, daß in irgendeiner Strecke 30 (z. B. der Strecke mit dem Bogen 32) der Fluß, der vom Strom durch

indirekter Nähe liegende Teile fließenden Gesamt- 45 den Bogen (z. B. 34) in irgendeiner gegebenen andestrom erzeugt wird, im wesentlichen parallel zu den ren Strecke 30 erzeugt wird, die entgegengesetzte Bögen in den Strecken 30 und nicht senkrecht zu den Richtung hat wie der Fluß, der vom Strom durch den Bögen verläuft. Zum Beispiel hat das Magnetfeld, das Bogen (z, B. 33 oder 35) in einer der anderen unvon dem durch den leitenden Stab 17« und den Be- mittelbar zu jener gegebenen anderen Strecke betätigungsstab 18 a fließenden Gesamtstrom erzeugt 50 nachbarten Strecke erzeugt wird, wird, den bei 45 in F i g. 2 dargestellten Verlauf. Die In jeder Strecke 30 existiert ein schwaches senkkreisförmig um die Mittelachse 28 liegenden gepunk- rechtes Magnetfeld, das vom Strom durch die Vorteten Linien stellen die typischen magnetischen Kraft- Sprünge 26 und 26 α herrührt, welche unmittelbar linien dar, welche das Feld 45 bilden. Man beachte, neben den betreffenden Strecken angeordnet sind, daß diese Kraftlinien im wesentlichen parallel zu den 55 aber dieses senkrechte Magnetfeld ist so klein, daß es Bögen in den Strecken 30 verlaufen und nur eine die erhebliche Verminderung des senkrechten Makleine Komponente senkrecht zu den Bögen aufwei- gnetfeldes, die von den anderen oben beschriebenen sen. Der durch die benachbarten Teile (17 α und 18 α), Faktoren verursacht wird, nicht wesentlich beeindie den gesamten Schalterstrom führen, fließende trächtigt. Hinsichtlich dieses vom Strom durch die Strom erzeugt also nur ein sehr schwaches senkrech- 60 unmittelbar angrenzenden Vorsprünge 26 und 26 a in tes Feld in den Strecken 30. einer gegebenen Strecke erzeugten senkrechten Ma-

Ein weiterer Faktor für die Begrenzung des senk- gnetfeldes ist zu beachten, daß nur ein kleiner Bruchrechten Feldes in den Strecken 30 auf einen sehr teil des Gesamtstromes dieses Magnetfeld erzeugt, da niedrigen Wert besteht darin, daß sich die vom Strom sich der Gesamtstrom in viele parallele Teilströme durch die Bögen in den anderen Strecken 30, erzeug- 65 auf parallelen Stromwegen durch die Vorsprünge auften Magnetfelder in einer gegebenen Strecke 30 in teilt. Der Strom auf den anderen Wegen durch die erheblichem Umfang aufheben. Zur Veranschau- Vorsprünge erzeugt hinsichtlich des betrachteten lichung dieser Tatsache sei das Magnetfeld in der Bogens ein vorwiegend axiales Magnetfeld und er-

höht deshalb das schwache senkrechte Magnetfeld, das vorhanden ist, nicht wesentlich.

Mit zwei bekannten und üblichen stumpfen Kontaktstücken wurden bei der Unterbrechung von Bogenströmen mit 35 kA Scheitelwert typische Bogenspannungen von etwa 100 Volt gemessen. Bei der dargestellten Kontaktanordnung mit kleiner Magnetfeldkomponente in senkrechter Richtung zum Bogen und ebenfalls Kupferkontakten wurden dagegen bei der Unterbrechung von Bogenströmen mit 40 kA Scheitelwert typische Bogenspannungen von etwa 40 Volt gemessen. Bei den bekannten Kontakten stiegen mit wachsenden Strömen die Bogenspannungen noch weiter an, z. B. auf etwa 120 Volt bei 50 kA Spitzenstrom und auf etwa 130 Volt bei 60 kA Spitzenstrom. Bei der abgebildeten Anordnung traten typische Bogenspannungen von nur 45 Volt bei 50 kA Spitzenstrom auf.

Wie erwähnt, entsteht der Lichtbogen zwischen den Kontaktstücken gemäß F i g. 1 bis 4 ursprünglich an den Flächen 42 und 43. Solange der Bogen in diesem Bereich verbleibt, verläuft das von dem durch die Kontaktstücke fließenden Strom erzeugte Magnetfeld im wesentlichen senkrecht zum Bogen. Solange also der Bogen in dieser Stellung bleibt, kann die Bogenspannung auf die gleichen Werte wie bei den bekannten Schaltern ansteigen. Sobald jedoch einer oder mehrere Bögen in den Strecken 30 entstehen, verlöscht der ursprüngliche Bogen zwischen den Flächen 42 und 43 oder vermindert seine Stromstärke und die zwischen den beiden Kontaktstücken entwickelte Bogenspannung fällt plötzlich auf die niedrigen, oben beschriebenen Werte ab.

Um das Entstehen von Bögen in den Strecken 30 zu beschleunigen, werden die Endflächen 42 der Vorsprünge 26a vorteilhafterweise so geformt, daß der Kontakt an der Fläche nahe der radial am weitesten innen gelegenen Gegend der Vorsprünge zustande kommt. In dieser Gegend ist die magnetische Kraft kleiner, die den ursprünglichen Bogen und seine Bogenprodukte radial nach außen zu treiben sucht. Durch die Verringerung dieser radial nach außen gerichteten Kraft neigen die Bogenprodukte mehr dazu, sich radial zum Inneren der Kontaktstücke zu den Strecken 30 auszubreiten, wo sie die Zündung der Strecken 30 verursachen können.

Das Magnetfeld in einem Schalter mit bekannten Kontaktstückanordnungen ist in den F i g. 5 und 5 a dargestellt. Jedes Kontaktstück nach F i g. 5 enthält eine sich radial erstreckende Scheibe 100 mit einem in der Nähe ihres Umfanges axial vorspringenden Ringteil 101, der den Bogenansatz begrenzt. Bei geschlossenem Schalter berühren sich die Kontaktstücke normalerweise an den Ringteilen 101. Wenn die Kontaktstücke getrennt werden, entsteht zwischen den Ringteilen 101 ein Bogen oder Bögen 102. Diese Bögen 102 befinden sich in einer Gegend, wo das Magnetfeld vorwiegend senkrecht zu den Bögen verläuft. Das vom Gesamtstrom durch die mittleren, die Kontaktstücke tragenden Leiterstäbe 104 und 105 erzeugte Magnetfeld verläuft beispielsweise entlang eines im wesentlichen kreisförmigen Weges in Richtung von Pfeilen 107 in F i g. 5 um die Mittelachse 108 der Elektroden. Die Pfeile 107 verlaufen nahezu rechtwinklig zur Längsachse eines jeden Bogens. Unter der Annahme, daß die Bögen 102 symmetrisch um die Mittelachse 108 verteilt sind, kann die Feldstärke H der Magnetfeldkomponente, die senkrecht zu jedem Bogen der F i g. 5 und 5 a verläuft, durch die folgende Gleichung angegeben werden:

TT

2nr

wobei H die Feldstärke in Praoersted (10¹⁰ Oe), / den durch die Elektroden fließenden Gesamtstrom in Ampere und r den radialen Abstand in Metern zwischen

ίο dem Bogen und der Stromachse des axial gerichteten Stroms in der Elektrode bedeutet.

Die Stromachse in der Elektrodenanordnung von F i g. 5 und 5 a ist die Längsachse 108 der Leiterstäbe 104 und 105, und der radiale Abstand r ist in Fig. 5 a von dieser Achse aus gerechnet dargestellt. In der Elektronenanordnung gemäß F i g. 1 bis 4 ist die Stromachse die Mittelachse 28. Mit der Bezeichnung Stromachse ist eine imaginäre Linie gemeint, in der der gesamte axial gerichtete Strom konzentriert gedacht werden kann, und seine Lage kann mittels bekannter Methoden bestimmt werden. Wenn die Bögen 102 nicht symmetrisch um die Mittellinie 108 der F i g. 5 und 5 a verteilt sind oder wenn nur ein einziger Bogen existiert, ist die Feldstärke der auf dem

as Bogen senkrecht stehenden Magnetfeldkomponente noch höher als der erwähnte Wert

^2jrr

der bei symmetrisch verteilten Bögen auftritt.

Bei den erfindungsgemäßen Schaltern ist dagegen die magnetische Feldstärkekomponente senkrecht zu einem Bogen in den Strecken 30 oder 60 bei gegebenem radialem Abstand von der Stromachse (28 in den F i g. 1 bis 4) viel kleiner als die Hälfte der entsprechenden Größe bei einem Bogen, der im Schalter von F i g. 5 und 5 a im selben radialen Abstand von der Stromachse 108 brennt, selbst wenn für die Fig. 5 und 5a eine symmetrische Verteilung der Bögen um die Längsachse 108 angenommen wird. Im Schalter gemäß F i g. 5 und 5 a sind die lichtbogentragenden Ringteile 101 als zusammenhängende Ringe gezeigt, aber die senkrecht zum Bogen 102 verlaufende Komponente des Magnetfelds hat mindestens die durch obigen Ausdruck bestimmte Größe, ob nun diese Ringteile 101 aus einem zusammenhängenden Ring oder aus einer Reihe von am Umfang verteilten axial herausstehenden Vorsprüngen bestehen.

In den F i g. 6 und 7 ist eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei welcher schon der erste Lichtbogen in einer der Strecken 30 gezogen wird, wodurch die Notwendigkeit entfällt, ihn von einer Stelle mit großer senkrechter Magnetfeldkomponente wegtreiben zu müssen, wie es bei der Anordnung gemäß Fig. 1 bis 4 der Fall war. Bei dieser abgewandelten Ausführungsform nach F i g. 6 und 7 sind das untere Kontaktstück 18 und sein Betätigungsstab 18 a nicht vertikal beweglich, sondern um einen feststehenden Drehzapfen 55 drehbar. In der offenen Stellung des Schalters nimmt der Betätigungsstab 18a die in Fig. 1 gezeigte vertikale Stellung ein. Das Schließen des Schalters geschieht durch Drehen des Betätigungsstabes 18 α im Uhrzeigersinn entsprechend F i g. 6 um den Drehzapfen 55, bis die in F i g. 6 dargestellte geschlossene Stellung erreicht ist. Hier berührt einer der Vorsprünge 26 a des unte-

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ren Kontaktstückes mit seinen Kontaktflächen 26 α' nung, die unmittelbar nach dem Stromnulldurchgang die Kontaktflächen 26' der zwei Vorsprünge 26 des auftritt, zu widerstehen.

oberen Kontaktstückes, wie in F i g. 7 gezeigt ist. Bei den bisher beschriebenen Schaltern wurde ein

Die Öffnung des Schalters geschieht durch Zurück- Satz der ineinandergreifenden Vorsprünge relataiv drehen des Betätigungsstabes 18 a in die vertikale 5 zum anderen bewegt. Die Notwendigkeit dieser Bestellung. Bei dieser Bewegung wird ein Lichtbogen wegung kann durch eine Schalterkonstruktion nach an einer der Strecken 30 zwischen den Vorsprüngen F i g. 9 und 10 vermieden werden. Hier enthält das 26 und 26 a gezogen, und bald darauf entstehen obere Kontaktstück 17 ein becherförmiges Glied mit Bögen in den übrigen Strecken 30 aus denselben Vorsprüngen 26, die von seinem Hauptteil 25 nach Gründen, wie sie oben beschrieben wurden. In der io unten vorstehen. Das untere Kontaktstück 18 enthält Ausführungsform gemäß Fig. 6 und 7 brennen also ein becherförmiges Glied mit Vorsprüngen26α, die alle Bögen in einer Gegend mit sehr niedrigem senk- von seinem Hauptteil 25 a nach oben vorstehen. Die rechtem Magnetfeld, so daß nicht einmal für sehr Vorsprünge 26 des einen Kontaktstückes sind zwikurze Zeitspannen hohe Bogenspannungen auftreten sehen den Vorsprüngen 26 a des anderen Kontaktkönnen, wie sie mit hohen senkrechten Magnetfeldern 15 Stückes in der gleichen Weise angeordnet wie bei den verbunden sind. anderen Ausführungsformen. Die Vorsprünge 26 und

Wie oben beschrieben, können sich in einer gege- 26 a sind voneinander mit Abstand angeordnet und benen Strecke 30 die Magnetfelder der Ströme von begrenzen zwischen sich am Umfang verteilte Strek-Bögen, die in anderen Strecken 30 brennen, in erheb- ken 60 in der im wesentlichen gleichen Art wie in lichem Umfang kompensieren. Diese Flußkompen- ao F i g. 8. Diese Strecken 60 sind am besten in F i g. 10 sation kann dadurch noch vollständiger gemacht ersichtlich. Beide Kontaktstücke 17 und 18 der Fig.9 werden, daß die Kontaktstücke mit einer größeren sind durch geeignete Mittel am Schaltergehäuse be-Zahl von Zwischenvorsprüngen, als in F i g. 1 bis 4 festigt, z. B. durch axial erstreckende Leiterstäbe 86 gezeigt ist, versehen werden. F i g. 8 zeigt einen Quer- und 87, so daß sich feststehende Strecken 60 der geschnitt durch ein derart abgewandeltes Kontaktstück- 25 wünschten Länge ergeben.

paar. Es sind hier wiederum die Vorsprünge des einen In der Mitte des oberen Kontaktstückes 17 befindet

Kontaktstückes mit dem Bezugszeichen 26 und die- sich ein feststehender Kontaktteil 90, der mit dem jenigen des anderen Kontaktstückes mit dem Bezugs- Rest des oberen Kontaktstückes 17 hart verlötet ist. zeichen 26 a versehen. Die Strecken zwischen den In der Mitte des unteren Kontaktstückes 18 befindet Vorsprüngen sind mit 60 und die elektrisch parallel- 30 sich ein beweglicher Kontaktteil 92, der relativ zum liegenden Bögen mit 61 bis 68 bezeichnet. Auch hier Rest des unteren Kontaktstückes 18 beweglich ist. sind die Ströme in benachbarten Strecken entgegen- Der bewegliche Kontaktteil 92 ist mit dem oberen gesetzt gerichtet, und deshalb ist das in einer ersten Ende eines Leiterstabes 93 verbunden, der sich frei Strecke vom Stromfluß durch einen Bogen in irgend- durch den Hauptteil 25 a des unteren Kontaktstückes einer gegebenen anderen Strecke erzeugte Feld dem 35 18 bis zu einem Ort außerhalb des evakuierten Schal-Feld, das vom Strom durch einen Bogen in irgend- tergehäuses erstreckt. Ein Balg 20 dichtet den Leitereiner der anderen Strecken, die unmittelbar an die stab 93 ab und ermöglicht eine Bewegung des Stabes gegebene andere Strecke anschließt, entgegengerich- in bezug auf den Rest des Kontaktstückes 18. Der tet. Leiterstab 93 und der becherförmige Teil des unteren

Man kann die Magnetflußkompensation in den 40 Kontaktstückes 18 sind durch eine nur schematisch Strecken auch durch die Betrachtung des resultieren- dargestellte Leiteranordnung 94 elektrisch verbunden, den Stromes, der um die von den Bögen und den Der untere Kontaktteil 92 · hat einen Ringteil 95,

leitenden Teilen, die die Bögen verbinden, gebildete der sich zum anderen Kontaktteil 90 hin erstreckt Schleife 70 (Fig. 8) verläuft, erklären. Da sich die und bei geschlossenem Schalter einen ähnlichen Ring-Ströme durch benachbarte Bögen auf Grund ihrer 45 teil 96 des anderen Kontaktteils 90 berührt. Wenn der entgegengesetzten Richtung aufzuheben streben, gibt untere Kontaktteil 92 vom oberen Kontaktteil 90 es einen nicht kompensierten Stromfluß nur in einer wegbewegt wird, entsteht ein Lichtbogen zwischen Strecke außer der Strecke, in der der Fluß betrachtet den Teilen 95 und 96. Da der Strompfad L durch die wird. Dieser Strom durchfließt nur einen kleinen Teil Kontaktteile in bekannter Weise radial nach außen der Schleife und ist außerdem verhältnismäßig klein. 50 gebogen ist, wirkt auf den Bogen eine radial nach Er läßt deshalb senkrecht zu dem Bogen in der be- außen gerichtete magnetische Kraft. Diese magnetrachteten Strecke nur eine schwache Magnetfeld- tische Kraft treibt die Enden des Bogens entlang der komponente entstehen. benachbarten Oberfläche der Kontaktteile 90 und 91

Dadurch, daß die Bogenspannung während Hoch- radial nach außen und befördert auch die Bogenstromunterbrechungen in der oben beschriebenen -55 produkte in die Strecken 60 zwischen den zwischen-Weise klein gehalten wird, läßt sich auch die im einander angeordneten Vorsprüngen 26 und 26 a. Schalter während solcher Abschaltungen auftretende Hierdurch entstehen Bögen in den Strecken 60. AnEnergie entsprechend klein halten. Dies ist sehr genommen, es werde ein hoher Strom (z. B. über wünschenswert, da die verminderte Schaltarbeit eine 10 kA) unterbrochen, dann wird jeder Bogen in einer entsprechende Herabsetzung der während der Strom- 60 Strecke 60 mit einer viel niedrigeren Bogenspannung unterbrechung frei werdenden Dampfmenge und eine brennen als der ursprüngliche Bogen zwischen den geringere Erwärmung der dampfkondensierenden Kontaktteilen 90 und 92. Der anfangs durch den Teile, wie z. B. des Schirms 15, zur Folge hat. Diese ursprünglichen Bogen fließende Strom wird also in beiden Faktoren erleichtern eine möglichst vollstän- den Bogen oder die Bögen der Strecke 60 abgeleitet, dige Kondensation der Bogenprodukte bei einem 65 wodurch der ursprüngliche Bogen verlöscht oder, in Stromnulldurchgang, so daß die Fähigkeit des Schal- einigen Fällen, nur noch einen so geringen Anteil ters verbessert wird, seine Spannungsfestigkeit schnell am Gesamtstrom führt, wie er der niedrigen Bogenwieder zu erlangen und der wiederkehrenden Span- spannung der Bögen in den Strecken 60 entspricht.

Wie in den anderen Ausführungsformen stehen auch die Strecken 60 in F i g. 9 und 10 in freier Verbindung miteinander. Als Folge davon gelangen in eine Strecke 60, die noch nicht durchgeschlagen hat, Metalldämpfe von den Bögen, die in einer oder mehreren anderen Strecken brennen. Hierdurch entsteht auch ein Lichtbogen in dieser anfänglich nicht durchgebrochenen Strecke 60, welche daraufhin Metalldämpfe erzeugen und so die Zündung irgendwelcher weiterer eventuell immer noch nicht durchgebrochener Strecken 60 unterstützen wird. Schließlich werden in allen Strecken 60 Lichtbogen brennen, wobei sich der Gesamtstrom auf die parallelen Bögen aufteilt.

Aus denselben Gründen wie bei den anderen Ausführungsformen brennt beim Schalter nach den F i g. 9 und 10 jeder Lichtbogen in einer Strecke 60 in einem Gebiet, wo die senkrecht auf dem Bogen stehende Komponente des Magnetfeldes sehr gering ist. Die Bogenspannung an einem Bogen in einer ao Strecke 60 ist daher wie bei den anderen Ausführungsformen verhältnismäßig niedrig. Der erste Bogen entsteht im Schalter der Fig. 9 und 10 in einem Gebiet, in dem die auf der Richtung des Bogens senkrecht stehende Magnetfeldkomponente groß ist. Die schnelle Entstehung der Bögen in den Strecken 60 verhindert jedoch, daß am ursprünglichen Bogen eine hohe Bogenspannung auftritt.

Es hat sich gezeigt, daß bei einer Schalterkonstruktion nach den F i g. 9 und 10 die Übertragung des Bogens vom Raum zwischen den relativ zueinander beweglichen Kontaktteilen 90 und 92 zum Raum zwischen den relativ zueinander festehenden Schaltkontaktteilen (Strecken 60) sehr rasch vor sich geht. Diesbezügliche Versuche haben gezeigt, daß bei einem Schalter nach F i g. 9 und 10 diese Übertragung bei relativ niedrigen Stromwerten vor sich geht, verglichen mit den für eine solche Übertragung benötigten Strömen bei einem Schalter, dessen äußere Kontaktstücke als zwei axial gegenüberliegende Ringe oder Scheiben ausgebildet sind. Bei einem Schalter der letzterwähnten Art befindet sich die Strecke zwischen den äußeren Kontaktstückteilen in einem Gebiet mit hohem senkrechten Magnetfeld, und Hochstrombögen in solchen Strecken entwickeln typisch hohe Bogenspannungen. Es wird angenommen, daß die Fähigkeit des erfindungsgemäßen Schalters, die Bogenspannung über die Strecken 60 auf einen relativ niedrigen Wert zu begrenzen, ein wichtiger Faktor für die erhebliche Erhöhung der Geschwindigkeit ist, mit welcher die oben beschriebene Bogenübertragung erfolgt.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vakuumschalter, dessen beide Kontaktstücke eine gemeinsame Achse haben und mit derselben Anzahl von Kontaktfingern an jedem Kontaktstück ausgerüstet und derart angeordnet sind, daß sie sich an den einander zugekehrten Seiten von senkrecht zu der genannten Achse liegenden Scheiben befinden, daß sie parallel zu dieser Achse auf einem zu dieser konzentrischen Kreis liegen und daß die denselben Abstand voneinander aufweisenden Kontaktfinger jedes Kontaktstückes gegen die des anderen Kontaktstückes in Umfangsrichtung versetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl im eingeschalteten als auch im ausgeschalteten Zustand die Kontaktfinger (26, 27 a) ineinandergreifen, daß im ausgeschalteten Zustand der seitliche Abstand (30) zwischen benachbarten Kontaktfingern (26, 26 a) gleich groß ist und kleiner oder höchstens gleich dem Abstand zwischen den zur Führung des Dauerstromes bestimmten Kontaktflächen (26', 26a'; 42, 43; 95, 96).

2. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kontaktstücke (17, 18) axial zueinander bewegbar sind, wobei zur Führung des Dauerstromes die Stirnflächen (42) der Kontaktfinger (26 a) des einen Kontaktstückes (18) und die Innenseite (43) der Scheibe, an der sich die Kontaktfinger des anderen Kontaktstückes (17) befinden, dienen (Fig. 1 bis 4).

3. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kontaktstücke (17, 18) axial zueinander bewegbar sind, wobei zur Führung des Dauerstromes jeweils konzentrisch zur Längsachse und innerhalb der Kontaktfingerkränze der beiden Kontaktstücke (17, 18) angeordnete, scheibenförmige Kontaktteile (95, 96) dienen (Fig. 9 und 10).

4. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Kontaktstück (18) um eine zur gemeinsamen Längsachse der Kontaktstücke senkrechte Achse (55) schwenkbar ist und daß im eingeschalteten Zustand Kontaktfinger (26, 26 a) der beiden Kontaktsücke (17,18) miteinander in Berührung stehen (F i g. 6 und 7).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen